具有过程内嵌纤维增强聚合物网格加固的3D打印混凝土

用巨型3D打印机建造住宅

想象一下，房屋像家用打印机喷墨那样被打印——只是“墨水”是挤出成厚带的湿混凝土。这种机器人化、低废料的建造愿景已近在眼前，但仍有一大难题：现有的3D打印混凝土有时出人意料地脆弱。本文探讨了一种在打印过程中将强而轻的网格悄然嵌入混凝土的新方法，旨在使未来打印的墙体和楼板更坚韧、更安全、更耐用。

加固打印混凝土的新路径

传统混凝土结构通过在内部隐藏钢筋来抵抗弯曲和开裂。对于按层逐步堆积、无需模板的3D打印混凝土来说，嵌入此类钢筋很困难，且常需人工操作，从而削弱了全自动化的承诺。作者提出了另一种策略：使用柔性的纤维增强聚合物（FRP）网格——由高强度纤维和塑料基体组成的薄网状条带——并在打印过程中将其送入结构中。他们的关键进展是一种双喷嘴系统，能同时打印混凝土和FRP网格。一个喷嘴挤出混凝土丝，另一个略低的喷嘴则铺设柔性网格，使其在打印头移动时被夹在连续的混凝土层之间。

双喷嘴系统如何工作

该新装置将FRP储卷轴和引导轨直接安装到商用3D混凝土打印机上。随着打印头的移动，混凝土从前部喷嘴挤出，而网格则从卷轴被拉出、绕过转角并通过后部喷嘴送入新鲜混凝土中。重力和随后层的自重将网格压入到位。由于引导轨和FRP喷嘴是模块化且可拆卸的，可在无需重设计整机的情况下使用不同宽度的网格。研究者还采用了“功能梯度”混凝土板，即在受拉一侧使用更耐冲击、富含纤维的混凝土，而顶部则采用地聚合物混凝土，类似于自然在关键部位优化材料分布的做法。

对打印板件的试验

为验证过程内嵌网格的效果，团队打印了一系列板状构件并进行了三点弯曲试验：板件在两端支承，中间受压直到破坏。与普通板相比，带FRP网格加固的板承载能力约高出41%，且在破坏前的挠度超过普通板五倍以上，意味着它们在弯曲时不是瞬间断裂而是更为延展。性能最佳的布局是在多行多列中布置网格，但研究也发现，一条更宽的网格带在总加固量相同的情况下，效果可与若干窄带相当。拔出试验（将一段网格从混凝土块中拉出）显示网格与混凝土之间的粘结为中等但非最佳，且只有部分网格纱线发生滑动，限制了力的有效传递。

层间空隙的隐性代价

情况并非全是利好。由于网格被放置在层间，它会形成小缝隙并减少相邻混凝土层间的直接接触。人为把层拉开的劈裂试验表明，加入网格后层间强度大约下降了三分之一到近一半。利用微型计算机断层扫描的高分辨率成像和汞压入法测定孔隙揭示了原因：网格周围界面含有更多且更大的空隙，尤其是超过一毫米长的拉长孔隙。这些弱区改变了裂缝在材料中的传播方式，促使形成单一主裂缝而非许多细裂缝，并使网格难以完全“嵌锁”到混凝土中。

对未来打印建筑的意义

对非专业读者而言，结论是：这台双喷嘴打印机成功验证了一个关键想法——强而轻的加固件可以在3D打印混凝土构建过程中直接编入结构，从而提高构件的承载能力和破坏前的延性。与此同时，它也揭示了下一步的工程挑战：改善网格在层内和层间的粘结，减少围绕网格形成的微小气孔。解决这些问题有望使3D打印混凝土更接近成为一种主流、全自动的建造耐久住宅、桥梁及其他基础设施的方式。

引用: Sun, HQ., Xie, SS., Zeng, JJ. et al. 3D-printed concrete with in-process embedded fiber-reinforced polymer grid reinforcement. Commun Eng 5, 72 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00628-1

关键词: 3D打印混凝土, FRP网格加固, 增材建筑, 功能梯度混凝土, 层间粘结